Evaluation of the Biocompatibility of Poly (ortho ester), Copolymer of ε-caprolactone/D,L-lactide and the Composite of Copolymer of ε-caprolactone/D,L-lactide and Tricalciumphosphate as Bone Filling Material

The purpose of this series of studies was to evaluate the biocompatibility of poly (ortho) ester (POE), copolymer of ε-caprolactone and D,L-lactide [P (ε-CL/DL-LA)] and the composite of P(ε-CL/DL-LA) and tricalciumphosphate (TCP) as bone filling material in bone defects. Tissue reactions and resorption times of two solid POE-implants (POE 140 and POE 46) with different methods of sterilization (gamma- and ethylene oxide sterilization), P(ε-CL/DL-LA)(40/60 w/w) in paste form and 50/50 w/w composite of 40/60 w/w P(ε-CL/DL-LA) and TCP and 27/73 w/w composite of 60/40 w/w P(ε-CL/DL-LA) and TCP were examined in experimental animals. The follow-up times were from one week to 52 weeks. The bone samples were evaluated histologically and the soft tissue samples histologically, immunohistochemically and electronmicroscopically. The results showed that the resorption time of gamma sterilized POE 140 was eight weeks and ethylene oxide sterilized POE 140 13 weeks in bone. The resorption time of POE 46 was more than 24 weeks. The gamma sterilized rods started to erode from the surface faster than ethylene oxide sterilized rods for both POEs. Inflammation in bone was from slight to moderate with POE 140 and moderate with POE 46. No highly fluorescent layer of tenascin or fibronectin was found in the soft tissue. Bone healing at the sites of implantation was slower than at control sites with the copolymer in small bone defects. The resorption time for the copolymer was over one year. Inflammation in bone was mostly moderate. Bone healing at the sites of implantation was also slower than at the control sites with the composite in small and large mandibular bone defects. Bone formation had ceased at both sites by the end of follow-up in large mandibular bone defects. The ultrastructure of the connective tissue was normal during the period of observation. It can be concluded that the method of sterilization influenced the resorption time of both POEs. Gamma sterilized POE 140 could have been suitable material for filling small bone defects, whereas the degradation times of solid EO-sterilized POE 140 and POE 46 were too slow to be considered as bone filling material. Solid material is difficult to contour, which can be considered as a disadvantage. The composites were excellent to handle, but the degradation time of the polymer and the composites were too slow. Therefore, the copolymer and the composite can not be recommended as bone filling material.

Organized Nanostructures of Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Block Copolymers Obtained Through Controlled RAFT Polymerization

Kontrolloidut radikaalipolymerointimenetelmät, kuten RAFT-polymerointi, ovat moderni tapa valmistaa polymeerejä säädellysti. RAFT-polymeroinnilla polymeerien ketjunpituutta, moolimassajakaumaa, mikrorakennetta (taktisuus, järjestys), koostumusta ja funktionaalisuutta kyetään hallitsemaan. Siten menetelmällä voidaan valmistaa uudenlaisia polymeeriarkkitektuureja, kuten blokki- ja tähtipolymeerejä, sekä hybridimateriaaleja ja biokonjugaatteja. Polymeeristen rakennuspalikoiden itsejärjestyminen, missä huolellisesti syntetisoidut polymeerit järjestyvät halutulla tavalla nanoskaalassa, on suosittu tutkimuskohde materiaalitieteessä. On huomattava, että blokkipolymeerien itsejärjestyminen on vielä suhteellisen nuori tutkimusaihe. Tämän hetkiset polymeeriset nanomateriaalit ovat suhteellisen yksinkertaisia luonnon luomuksiin verrattuina, tarjoten jatkuvasti uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven polymeereille. Tässä työssä RAFT-polymeroinnilla syntetisoitiin amfifiilisiä di- ja triblokkikopolymeerejä sekä tutkittiin niiden järjestymistä nanorakenteiksi. Kaikissa blokkikopolymeereissä käytettiin lämpöherkkää poly(N-isopropyyliakryyliamidia). Siten polymeerit ja tutkitut materiaalit reagoivat lämpötilanmuutokseen ympäristössä eli ovat ns. ympäristöherkkiä. Työssä tutkittiin taktisuuden kontrollointia N-isopropyyliakryyliamidin RAFT-polymeroinnissa. Polymeerin taktisuutta sekä ketjunpituutta ja blokkijärjestystä säätämällä voitiin hallita polymeerin itsejärjestymistä vesiliuoksessa. Amfifiiliset polymeerit järjestyivät laimeissa vesiliuoksissa erilaisiksi misellirakenteiksi, muodostaen ns. mikrosäiliöitä. Tällaisilla polymeereillä odotetaan olevan sovelluksia esim. lääkeainevapautuksessa. Amfifiilejä käytetään myös esimerkiksi apuaineina pinnoitteissa ja kosmetiikassa. Kiinteässä tilassa tutkitut triblokkikopolymeerit muodostivat teoreettisesti ennustettuja morfologioita. Lämpöherkän materiaalin hydrogeelit toimivat suodatinmembraanina nanokokoluokassa. RAFT-polymeroinnilla syntetisoituja polymeereja voidaan sellaisenaan käyttää kultananopartikkeleiden päällystämiseen. Kultananopartikkelit ovat erittäin kiinostavia mm. niiden stabiilisuuden ja ainutlaatuisten pintaominaisuuksien vuoksi. Kun amfifiilisiä polymeerejä kiinnitettiin kultapartikkelin pinnalle, sen liuos- ja optisia ominaisuuksia voitiin säädellä pH:n ja lämpötilan avulla. Tällaisilla kultananopartikkeleilla on sovelluksia mm. diagnostiikassa, sensoreina ja solukuvauksessa.

Autoxidation of conjugated linoleic acid methyl ester in the presence of α-tocopherol: the hydroperoxide pathway

The autoxidation of conjugated linoleic acid (CLA) is poorly understood in spite of increasing interest in the beneficial biological properties of CLA and growing consumption of CLA-rich foods. In this thesis, the autoxidation reactions of the two major CLA isomers, 9-cis,11-trans-octadecadienoic acid and 10-trans,12-cis-octadecadienoic acid, are investigated. The results contribute to an understanding of the early stages of the autoxidation of CLA methyl ester, and provide for the first time a means of producing and separating intact CLA methyl ester hydroperoxides as well as basic knowledge on lipid hydroperoxides and their hydroxy derivatives. Conjugated diene allylic monohydroperoxides were discovered as primary autoxidation products formed during autoxidation of CLA methyl esters in the presence and absence of α-tocopherol. This established that one of the autoxidation pathways of CLA methyl ester is the hydroperoxide pathway. Hydroperoxides were produced from the two major CLA methyl esters by taking advantage of the effect of α-tocopherol to promote hydroperoxide formation. The hydroperoxides were analysed and separated first as methyl hydroxyoctadecadienoates and then as intact hydroperoxides by HPLC. The isolated products were characterized by UV, GC-MS, and NMR techniques. In the presence of a high amount of α-tocopherol, the autoxidation of CLA methyl ester yields six kinetically-controlled conjugated diene monohydroperoxides and is diastereoselective in favour of one particular geometric isomer as a pair of enantiomers. The primary autoxidation products produced from the two major CLA isomers include new positional isomers of conjugated diene monohydroperoxides, the 8-, 10-, 12-, and 14-hydroperoxyoctadecadienoates. Furthermore, two of these new positional isomers have an unusual structure for a cis,trans lipid hydroperoxide where the allylic methine carbon is adjacent to the cis instead of the usual trans double bond. The 1H and 13C NMR spectra of nine isomeric methyl hydroxyoctadecadienoates and of ten isomeric methyl hydroperoxyoctadecadienoates including the unusual cis,trans hydroperoxides, i.e. Me 8-OOH-9c,11t and Me 14-OOH-10t,12c, were fully assigned with the aid of 2D NMR spectroscopy. The assigned NMR data enabled determination of the effects of the hydroxyl and hydroperoxyl groups on the carbon chemical shifts of CLA isomers, identification of diagnostic signals, and determination of chemical shift differences of the olefinic resonances that may help with the assignment of structure to as yet unknown lipid hydroperoxides either as hydroxy derivatives or as intact hydroperoxides. A mechanism for the hydroperoxide pathway of CLA autoxidation in the presence of a high amount of α-tocopherol was proposed based on the characterized primary products, their relative distribution, and theoretical calculations. This is an important step forward in CLA research, where exact mechanisms for the autoxidation of CLA have not been presented before. Knowledge of these hydroperoxide formation steps is of crucial importance for understanding the subsequent steps and the different pathways of the autoxidation of CLA. Moreover, a deeper understanding of the autoxidation mechanisms is required for ensuring the safety of CLA-rich foods. Knowledge of CLA oxidation and how it differs from the oxidation of nonconjugated polyunsaturated fatty acids may also be the key to understanding the biological mechanisms of CLA activity.

The effects of low-intensity ultrasound in bioabsorbable self-reinforced poly-L-lactide -fixed cancellous bone fracture

The purpose of the present study was to investigate the effects of low-intensity ultrasound on bioabsorbable self-reinforced poly-L-lactide (SR-PLLA) screws and on fracture healing after SR-PLLA device fixation in experimental and clinical cancellous bone fracture. In the first experimental study, the assessment of the mechanical strengths of the SR-PLLA screws was performed after 12 weeks of daily 20-minute ultrasound exposure in vitro. In the second experimental study, 32 male Wistar rats with an experimental distal femur osteotomy fixed with an SR-PLLA rod were exposed for daily low-intensity ultrasound treatment for 21 days. The effects on the healing bone were assessed. The clinical studies consist of three prospective, randomized, and placebo-controlled series of dislocated lateral malleolar fractures fixed with one SR-PLLA screw. The total number of the patients in these series was 52. Half of the patients were provided randomly with a sham ultrasound device. The patients underwent ultrasound therapy 20 minutes daily for six weeks. Radiological bone healing was assessed both by radiographs at two, six, nine, and 12 weeks and by multidetector computed tomography (MDCT) scans at two weeks, nine weeks, and 18 months. Bone mineral density was assessed by dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). The clinical outcome was assessed by both Olerud-Molander scoring and clinical examination of the ankle. Low-intensity ultrasound had no effects on the mechanical properties and degradation behaviour of the SR-PLLA screws in vitro. There were no obvious signs of low-intensity ultrasound-induced enhancement in the bone healing in SR-PLLA-rod-fixed metaphyseal distal femur osteotomy in rats. The biocompatibility of low-intensity ultrasound treatment and SR-PLLA was found to be good. In the clinical series low-intensity ultrasound was observed to have no obvious effects on the bone mineral density of the fractured lateral malleolus. There were no obvious differences in the radiological bone healing times of the SR-PLLA-screw-fixed lateral malleolar fractures after low-intensity ultrasound treatment. Low-intensity ultrasound did not have any effects on radiological bone morphology, bone mineral density or clinical outcome 18 months after the injury. There were no obvious findings in the present study to support the hypothesis that low-intensity pulsed ultrasound enhances bone healing in SR-PLLA-rod-fixed experimental metaphyseal distal femur osteotomy in rats or in clinical SR-PLLA-screw-fixed lateral malleolar fractures. It is important to limit the conclusions of the present set of studies only to lateral malleolar fractures fixed with an SR-PLLA screw.

The role of phospholipid transfer protein and cholesteryl ester transfer protein in reverse cholesterol transport

In atherosclerosis, cholesterol accumulates in the vessel wall, mainly in the form of modified low-density lipoprotein (LDL). Macrophages of the vessel wall scavenge cholesterol, which leads to formation of lipid-laden foam cells. High plasma levels of high-density lipoprotein (HDL) protect against atherosclerosis, as HDL particles can remove peripheral cholesterol and transport it to the liver for excretion in a process called reverse cholesterol transport (RCT). Phospholipid transfer protein (PLTP) remodels HDL particles in the circulation, generating prebeta-HDL and large fused HDL particles. In addition, PLTP maintains plasma HDL levels by facilitating the transfer of post-lipolytic surface remnants of triglyceride-rich lipoproteins to HDL. Most of the cholesteryl ester transfer protein (CETP) in plasma is bound to HDL particles and CETP is also involved in the remodeling of HDL particles. CETP enhances the heteroexchange of cholesteryl esters in HDL particles for triglycerides in LDL and very low-density lipoprotein (VLDL). The aim of this thesis project was to study the importance of endogenous PLTP in the removal of cholesterol from macrophage foam cells by using macrophages derived from PLTP-deficient mice, determine the effect of macrophage-derived PLTP on the development of atherosclerosis by using bone marrow transplantation, and clarify the role of the two forms of PLTP, active and inactive, in the removal of cholesterol from the foam cells. In addition, the ability of CETP to protect HDL against the action of chymase was studied. Finally, cholesterol efflux potential of sera obtained from the study subjects was compared. The absence of PLTP in macrophages derived from PLTP-deficient mice decreased cholesterol efflux mediated by ATP-binding cassette transporter A1. The bone marrow transplantation studies showed that selective deficiency of PLTP in macrophages decreased the size of atherosclerotic lesions and caused major changes in serum lipoprotein levels. It was further demonstrated that the active form of PLTP can enhance cholesterol efflux from macrophage foam cells through generation of prebeta-HDL and large fused HDL particles enriched with apoE and phospholipids. Also CETP may enhance the RCT process, as association of CETP with reconstituted HDL particles prevented chymase-dependent proteolysis of these particles and preserved their cholesterol efflux potential. Finally, serum from high-HDL subjects promoted more efficient cholesterol efflux than did serum derived from low-HDL subjects which was most probably due to differences in the distribution of HDL subpopulations in low-HDL and high-HDL subjects. These studies described in this thesis contribute to the understanding of the PLTP/CETP-associated mechanisms underlying RCT.

Development of a new flexor tendon repair technique performed with bioabsorbable poly-L/D-lactide (PLDLA) suture

Sormen koukistajajännevamman korjauksen jälkeisen aktiivisen mobilisaation on todettu johtavan parempaan toiminnalliseen lopputulokseen kuin nykyisin yleisesti käytetyn dynaamisen mobilisaation. Aktiivisen mobilisaation ongelma on jännekorjauksen pettämisriskin lisääntyminen nykyisten ommeltekniikoiden riittämättömän vahvuuden vuoksi. Jännekorjauksen lujuutta on parannettu kehittämällä monisäieommeltekniikoita, joissa jänteeseen tehdään useita rinnakkaisia ydinompeleita. Niiden kliinistä käyttöä rajoittaa kuitenkin monimutkainen ja aikaa vievä tekninen suoritus. Käden koukistajajännekorjauksessa käytetään yleisesti sulamattomia ommelmateriaaleja. Nykyiset käytössä olevat biohajoavat langat heikkenevät liian nopeasti jänteen paranemiseen nähden. Biohajoavan laktidistereokopolymeeri (PLDLA) 96/4 – langan vetolujuuden puoliintumisajan sekä kudosominaisuuksien on aiemmin todettu soveltuvan koukistajajännekorjaukseen. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää välittömän aktiivisen mobilisaation kestävä ja toteutukseltaan yksinkertainen käden koukistajajännekorjausmenetelmä biohajoavaa PLDLA 96/4 –materiaalia käyttäen. Tutkimuksessa analysoitiin viiden eri yleisesti käytetyn koukistajajänneompeleen biomekaanisia ominaisuuksia staattisessa vetolujuustestauksessa ydinompeleen rakenteellisten ominaisuuksien – 1) säikeiden (lankojen) lukumäärän, 2) langan paksuuden ja 3) ompeleen konfiguraation – vaikutuksen selvittämiseksi jännekorjauksen pettämiseen ja vahvuuteen. Jännekorjausten näkyvän avautumisen todettiin alkavan perifeerisen ompeleen pettäessä voima-venymäkäyrän myötöpisteessä. Ydinompeleen lankojen lukumäärän lisääminen paransi ompeleen pitokykyä jänteessä ja suurensi korjauksen myötövoimaa. Sen sijaan paksumman (vahvemman) langan käyttäminen tai ompeleen konfiguraatio eivät vaikuttaneet myötövoimaan. Tulosten perusteella tutkittiin mahdollisuuksia lisätä ompeleen pitokykyä jänteestä yksinkertaisella monisäieompeleella, jossa ydinommel tehtiin kolmen säikeen polyesterilangalla tai nauhamaisen rakenteen omaavalla kolmen säikeen polyesterilangalla. Nauhamainen rakenne lisäsi merkitsevästi ompeleen pitokykyä jänteessä parantaen myötövoimaa sekä maksimivoimaa. Korjauksen vahvuus ylitti aktiivisen mobilisaation jännekorjaukseen kohdistaman kuormitustason. PLDLA 96/4 –langan soveltuvuutta koukistajajännekorjaukseen selvitettiin tutkimalla langan biomekaanisia ominaisuuksia ja solmujen pito-ominaisuuksia staattisessa vetolujuustestauksessa verrattuna yleisimmin jännekorjauksessa käytettävään punottuun polyesterilankaan (Ticron®). PLDLA –langan todettiin soveltuvan hyvin koukistajajännekorjaukseen, sillä se on polyesterilankaa venymättömämpi ja solmujen pitävyys on parempi. Viimeisessä vaiheessa tutkittiin PLDLA 96/4 –langasta valmistetulla kolmisäikeisellä, nauhamaisella jännekorjausvälineellä tehdyn jännekorjauksen kestävyyttä staattisessa vetolujuustestauksessa sekä syklisessä kuormituksessa, joka simuloi staattista testausta paremmin mobilisaation toistuvaa kuormitusta. PLDLA-korjauksen vahvuus ylitti sekä staattisessa että syklisessä kuormituksessa aktiivisen mobilisaation edellyttämän vahvuuden. Nauhamaista litteää ommelmateriaalia ei aiemmin ole tutkittu tai käytetty käden koukistajajännekorjauksessa. Tässä tutkimuksessa ommelmateriaalin nauhamainen rakenne paransi merkitsevästi jännekorjauksen vahvuutta, minkä arvioidaan johtuvan lisääntyneestä kontaktipinnasta jänteen ja ommelmateriaalin välillä estäen ompeleen läpileikkautumista jänteessä. Tutkimuksessa biohajoavasta PLDLA –materiaalista valmistetulla rakenteeltaan nauhamaisella kolmisäikeisellä langalla tehdyn jännekorjauksen vahvuus saavutti aktiivisen mobilisaation edellyttämän tason. Lisäksi uusi menetelmä on helppokäyttöinen ja sillä vältetään perinteisten monisäieompeleiden tekniseen suoritukseen liittyvät ongelmat.